RU2142122C1

RU2142122C1 - Laser interferometric force converter ( variants )

Info

Publication number: RU2142122C1
Application number: RU96102025A
Authority: RU
Inventors: С.Брейденбэч Томас; Е.Моулд Майкл; Р.Понд Чарльз
Original assignee: Дзе Боинг Компани
Priority date: 1993-07-02
Filing date: 1994-06-29
Publication date: 1999-11-27
Also published as: DE69425498D1; EP0706644B1; EP0706644A1; DE69425498T2; WO1995001555A1; US5446546A; AU7215494A

Abstract

FIELD: measurement of forces with use of laser interferometric principles. SUBSTANCE: laser interferometric force converter for measurement of unidirectional load is manufactured from one piece of material to minimize hysteresis and includes ground end made fast to fixed reference plane and metric end to apply load. Converter has basic flexural members separating its ground and metric ends, flexural amplification members, bracket of reflectors and backward reflectors, one of them being mounted on metric end and second one - on ground end of converter. Assemblage of mirrors for turn of beams and assemblage of reflectors testing spatial displacement are attached to bracket of reflectors. In agreement with second variant of invention assemblage of mirrors for turn of beams is attached to bracket of reflectors and lever reinforcing displacement is attached to flexural members, first and second backward reflectors are secured to it. EFFECT: high degree of precision, replication and resolving power of converter. 3 cl, 10 dwg

Description

Изобретение касается способа и устройства для измерения сил с использованием лазерных интерферометрических принципов. The invention relates to a method and apparatus for measuring forces using laser interferometric principles.

Предшествующий уровень техники
Во многих применениях требуется измерение больших нагрузок, как сил, так и моментов, с малой неточностью. Один такой пример заключается в измерении встречаемых нагрузок посредством масштабной модели при испытании в аэродинамической трубе, где ошибки и неточности усиливаются посредством осуществления натурных корреляций. Типично, устройства, используемые для измерения этих нагрузок, известные как весы, представляют следующие два общих типа: коромысло измерения и(или) взвешивания деформации. В первом типе имеются две общие разновидности, в одной из которых используются изгибные элементы, а в другой используются динамометрические датчики. Независимо от того, какая разновидность или комбинация используется, точность, повторяемость и разрешающая способность ограничиваются использованием измерителей деформации и точностью отсчета соответственного выходного напряжения. Неотъемлемым для датчика измерения деформации является необходимость конструировать для уровней напряжения, которые дают адекватную деформацию в местоположении установки измерителя деформации. Эти уровни напряжения часто приводят к усталости изгибных элементов и нуждаются в частых калибровках для гарантии того, что сами измерители деформации действительно надежно закреплены. В рычажных весах используют ряд точек опоры и рычагов для снижения прикладываемых нагрузок до величин, которыми можно манипулировать с помощью электромеханических катушек для возврата системы в исходное положение нагрузки и (или) прецизионных динамометрических преобразователей. Хотя уровни напряжения можно значительно снижать от уровней весов измерителя деформации, рычажные весы в общем являются более универсальными. Эта универсальность приводит к перемещению и вращению центра калибрования баланса и при этом вводится другая неточность. Кроме того, в случае рычажных весов требуются большие объемы для размещения рычагов снижения нагрузки.State of the art
Many applications require the measurement of large loads, both forces and moments, with little inaccuracy. One such example is to measure the encountered loads by means of a scale model when tested in a wind tunnel, where errors and inaccuracies are amplified by real-world correlations. Typically, the devices used to measure these loads, known as scales, are of the following two general types: a beam of measurement and / or weighing of strain. The first type has two common varieties, one of which uses bending elements, and the other uses torque sensors. Regardless of which variety or combination is used, accuracy, repeatability, and resolution are limited by the use of strain gauges and the readout accuracy of the corresponding output voltage. An integral part of a strain gauge is the need to design for stress levels that give adequate strain at the installation location of the strain gauge. These stress levels often lead to fatigue of the flexural elements and require frequent calibrations to ensure that the strain gauges themselves are really firmly fixed. In lever scales, a number of support points and levers are used to reduce the applied loads to values that can be manipulated using electromechanical coils to return the system to its original load position and (or) precision torque converters. Although stress levels can be significantly reduced from strain gauge weight levels, linkage scales are generally more versatile. This versatility leads to the displacement and rotation of the balance calibration center, while introducing another inaccuracy. In addition, in the case of lever weights, large volumes are required to accommodate the leverage to reduce the load.

Известная патентная литература включает в себя патент Германии (патентное описание) N 138704, в котором описаны весы, использующие устройство лазерной интерферометрии дли измерения прикладываемых нагрузок, используя зажатую проволоку для измерения сил в нисходящем направлении. Known patent literature includes German Patent (Patent Description) N 138704, which describes scales using a laser interferometry device for measuring applied loads, using a clamped wire to measure forces in the downstream direction.

В противоположность этому, соответствующий настоящему изобретению измерительный прибор является прецизионными, многодетальными однонаправленными весами, способными измерять как растягивающие, таи и сжимающие (двунаправленные) нагрузки, не учитывая направление силы тяжести. In contrast, the measuring device of the present invention is a precision, multi-part, unidirectional balance capable of measuring tensile, tai and compressive (bidirectional) loads without considering the direction of gravity.

Кроме того, в противоположность этому, соответствующий настоящему изобретению измерительный прибор имеет однодетальный путь нагрузки, устраняя тем самым гистерезис на макроуровне и ограничивая его гистерезисом, испытываемым на молекулярном уровне, величина которого значительно меньше испытываемого в многодетальных измерительных приборах. In addition, in contrast, the measuring device according to the present invention has a one-part load path, thereby eliminating hysteresis at the macro level and limiting it to hysteresis experienced at the molecular level, the value of which is much smaller than that experienced in multi-part measuring devices.

Далее в противоположность патенту Германии (патентное описание) N 138704, связи, при которых выравнивание является критичным, не используются; скорее, отклонение ограничивается особой областью по мере изгиба взвешивающего коромысла, и используется усиливающий рычаг для усиления небольших отклонений и для отделения измерения к центру изгиба, давая улучшенную характеристику точности системы. Further, in contrast to German Patent (Patent Description) N 138704, communications in which alignment is critical are not used; rather, the deviation is limited to a particular area as the weighing beam is bent, and a reinforcing lever is used to amplify small deviations and to separate the measurement to the center of the bend, giving an improved system accuracy characteristic.

В качестве прототипа описывается патент DD N 143,956, кл. 601 L 1/24, 10.07.79, в котором описывается лазерный интерферометрический преобразователь силы для измерения однонаправленной нагрузки, использующий показанный на фиг. 12Е Z-обраэный элемент двойного изгиба; однако, в нем не используется усилительный рычаг для усиления небольших изгибов. As a prototype, patent DD N 143,956, class. 601 L 1/24, 07/10/79, which describes a laser interferometric force transducer for measuring unidirectional load, using the one shown in FIG. 12E Z-shaped double-bent element; however, it does not use an amplification lever to reinforce small bends.

Раскрытие изобретения
Измеряется линейное преобразование двух точек на упругом материале в случае постепенно увеличивающихся прилагаемых точных нагрузок, используя лазерный интерферометр с расщепленным лучом. Другое интерферометрическое измерение осуществляется путем вращательного и поступательного перемещения нагруженной системы относительно лазерного источника вследствие деформации от нагрузки; таким образом, для определения истинного отклонения, вызываемого прилагаемой нагрузкой, осуществляют коррекцию предполагаемых измерений. Определение соотношения изгиба и прикладываемой нагрузки с использованием лазерного интерферометра дает датчик силы и момента с высокой степенью точности, повторяемости и разрешающей способности.Disclosure of Invention
The linear transformation of two points on an elastic material is measured in the case of gradually increasing applied exact loads using a split-beam laser interferometer. Another interferometric measurement is carried out by rotational and translational movement of the loaded system relative to the laser source due to deformation from the load; Thus, to determine the true deviation caused by the applied load, the correction of the estimated measurements is carried out. Determining the ratio of bending and applied load using a laser interferometer gives a force and moment transducer with a high degree of accuracy, repeatability and resolution.

Дополнительное использование механического рычага усиления смешения обеспечивает даже более жесткий измерительный прибор с дополнительным преимуществом лучшей точности, повторяемости и разрешающей способности. The additional use of a mechanical mixing gain lever provides an even stiffer measuring device with the added benefit of better accuracy, repeatability and resolution.

Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется конкретным вариантом его выполнения, со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг. 1A и 1B представляют изометрические виды спереди и сзади варианта осуществления соответствующей настоящему изобретению системы с установленным рычагом усиления смещения;
фиг. 2A и 2B представляют изометрические виды соответствующей настоящему изобретению системы, при использовании ее без рычага усиления смещения;
на фиг. 3A и 3B изображена траектория лазерного луча при использовании рычага усиления смещения, тогда как
на фиг. 4A и 4B демонстрируются траектории лучей без рычага усиления;
фиг. 5 представляет изображение принципа действия рычага усиления смещения;
фиг. 6 изображает способ проведения обычного испытания на прототипе.Brief Description of the Drawings
The invention is further explained in a specific embodiment, with reference to the accompanying drawings, in which:
FIG. 1A and 1B are front and rear isometric views of an embodiment of a system according to the present invention with a bias gain lever mounted;
FIG. 2A and 2B are isometric views of a system according to the present invention, when used without a bias amplification lever;
in FIG. 3A and 3B show the path of the laser beam using the bias gain lever, while
in FIG. 4A and 4B show ray paths without a gain lever;
FIG. 5 is a depiction of the principle of operation of the bias amplification lever;
FIG. 6 depicts a method for conducting a conventional prototype test.

Вариант наилучшего осуществления изобретения
Согласно настоящему изобретению преобразователь выполнен из одного куска материала для минимизации гистерезиса, вызванного скольжением в месте соединения, и включает земляной конец, жестко соединенный с фиксированной опорной плоскостью, и метрический конец для приложения нагрузки, основные изгибные элементы, разделяющие земляной и метрический концы преобразователя, и изгибные элементы усиления, кронштейн отражателей и первый и второй обратные отражатели, прикрепленные к преобразователю, а также прикрепленные к кронштейну отражателей множество зеркал поворота лучей и множество отражателей контроля пространственного смещения, при этом первый обратный отражатель установлен на метрическом конце, а второй обратный отражатель установлен на земляном конце преобразователя силы.Best Mode for Carrying Out the Invention
According to the present invention, the transducer is made of one piece of material to minimize hysteresis caused by sliding at the junction, and includes an earthen end rigidly connected to a fixed reference plane, and a metric end for applying a load, the main bending elements separating the earthen and metric ends of the transducer, and bending reinforcing elements, reflector bracket and first and second retroreflectors attached to the transducer, as well as attached to the reflector bracket her many mirrors of rotation of the rays and many reflectors control spatial displacement, with the first back reflector mounted on the metric end, and the second back reflector mounted on the ground end of the force transducer.

Согласно другому варианту воплощения изобретения преобразователь выполнен из одного куска материала для минимизации гистерезиса, вызванного скольжением в месте соединения, и включает земляной конец, жестко соединенный с фиксированной опорной плоскостью, и метрический конец для приложения нагрузки, основные изгибные элементы, разделяющие земляной и метрический концы преобразователя, и изгибные элементы усиления, кронштейн отражателей и первый и второй обратные отражатели, прикрепленные к преобразователю, а также прикрепленные к кронштейну отражателей множество зеркал поворота лучей, при этом к изгибным элементам усиления прикреплен рычаг усиления смещения, к которому прикреплены первый и второй обратные отражатели. According to another embodiment of the invention, the transducer is made of one piece of material to minimize hysteresis caused by sliding at the junction, and includes an earthen end rigidly connected to a fixed reference plane, and a metric end for applying a load, the main bending elements separating the earthen and metric ends of the transducer and bending reinforcing elements, a reflector bracket, and first and second retroreflectors attached to the transducer, as well as attached to the matte reflector mirror rotation plurality of rays, wherein the bending elements to gain secured displacement amplification lever, to which are attached first and second retroreflectors.

Желательно, чтобы в лазерном интерферометрическом преобразователе силы рычаг усиления смещения был установлен на прямоугольном стержне. In a laser interferometric force transducer, it is desirable that the bias amplification lever be mounted on a rectangular rod.

Лазерный интерферометрический преобразователь силы обеспечил конструкцию для создания прогиба на полную шкалу, равного 0,007 дюйма (0,1778 мм) при нагрузке 300 фунтов (112,0 кг), давая разрешающую способность, равную 0,013 фунтов (0,048 кг). Эту разрешающую способность можно улучшить, используя более передовую систему отсчета интерференционных полос интерферометра и(или) используя рычаг усиления смещения 3. The laser interferometric force transducer provided a design for creating a full-scale deflection of 0.007 inches (0.1778 mm) at a load of 300 pounds (112.0 kg), giving a resolution of 0.013 pounds (0.048 kg). This resolution can be improved by using the more advanced reference system of the interference fringes of the interferometer and / or using the bias gain lever 3.

На фиг. 2A, 2B, 4A и 4B основная система работает без рычага усиления смещения. Преобразователь силы 1 изготовлен из единого куска материала (для минимизирования гистерезиса, наводимого проскальзыванием в месте соединения) и состоит из земляного конца, метрического конца, основных изгибов 4 и усилительных изгибов 2. К преобразователю силы прикреплены отражательный кронштейн 5 и обратные отражатели 6 и 7. На отражательном кронштейне находятся поворачивающие луч зеркала 8, 9, 10 и 11, наряду с обратными отражателями 12, 13 и 14 контроля пространственного смещения. На фиг. 4A и 4B можно видеть, что траектория луча света A, идущего в направлении -y, попадает на зеркало 9, поворачивается на 90^o в направление -x, попадая на зеркало 8, которое поворачивает луч на 90^o в направлении - Z, и, наконец, попадает на обратный отражатель 6, который прикреплен к метрическому концу преобразователя силы 1. Обратный отражатель 6 поворачивает луч А на 180^oC и возвращает его через те же зеркала (в обратном порядке) к источнику. Таким же образом луч В проходит путь через зеркала 10, 11 к обратному отражателю 7, где он также отсылается обратно к источнику. Первоначально, оба пути света A и B имеют одинаковую номинальную длину. Когда прикладывают растягивающую нагрузку P, можно заметить, что путь света A становится длиннее, тогда как путь света B остается фактически неизменным по длине. При таком способе осуществляют испытание и подсчет интерференционных полос на счетчике полос, позволяющем установить связь между нагрузкой и интерференционными полосами, которая пропорциональна относительному перемещению в направлении Z двух обратных отражателей 6 и 7, оставаясь относительно невосприимчивой к асимметричным аномалиям смещения. В этом случае при приложении нагрузки P определяют суммарное относительное смещение ΔZ между обратными отражателями 6 и 7. Таким образом, разрешающая способность становится функцией относительного смещения ΔZ, прикладываемой нагрузки P и того смещения, которое соответствует одному счету полос, в этом случае 3E-07 дюйма (3 • 10^-7 дюйма = 8 • 10^-7 см), то есть

или

(300 фунтов = 136,077 кг, 7E-07 дюйма = 0,1778 • 10^-5 мм), что дает разрешающую способность 0,013 фунта (0,005897 кг). Из приведенного соотношения видно, что если требуется анализировать нагрузки меньших величин для данного диапазона нагрузок P, то либо можно получить лучший счетчик интерференционных полос, который фактически считает и (или) диспергирует отдельные полосы на фракционные полосы, увеличивая относительное смещение ΔZ, или увеличить смещение ΔZ, как это осуществляется в случае использования рычага усиления смещения 3.In FIG. 2A, 2B, 4A and 4B, the main system operates without a bias gain lever. The force transducer 1 is made of a single piece of material (to minimize hysteresis induced by slippage at the junction) and consists of an earthen end, a metric end, main bends 4 and reinforcing bends 2. A reflective bracket 5 and reverse reflectors 6 and 7 are attached to the force transducer. Mirrors 8, 9, 10 and 11, which turn the beam, are located on the reflective bracket, along with the

backward reflectors

12, 13 and 14 of the spatial displacement control. In FIG. 4A and 4B, it can be seen that the path of the beam of light A going in the -y direction hits the mirror 9, rotates 90 ^° in the -x direction, falling on the mirror 8, which turns the beam 90 ^° in the -Z direction, and, finally, it hits the retroreflector 6, which is attached to the metric end of the force transducer 1. The retroreflector 6 rotates beam A 180 ^° C and returns it through the same mirrors (in reverse order) to the source. In the same way, beam B passes through mirrors 10, 11 to the back reflector 7, where it is also sent back to the source. Initially, both light paths A and B have the same nominal length. When a tensile load P is applied, it can be seen that the path of light A becomes longer, while the path of light B remains virtually unchanged in length. With this method, interference fringes are tested and counted on a fringe counter, which makes it possible to establish a relationship between the load and interference fringes, which is proportional to the relative displacement in the Z direction of the two back reflectors 6 and 7, while remaining relatively immune to asymmetric bias anomalies. In this case, when the load P is applied, the total relative displacement ΔZ between the retroreflectors 6 and 7 is determined. Thus, the resolution becomes a function of the relative displacement ΔZ, the applied load P and the displacement that corresponds to one strip count, in this case 3E-07 inches (3 • 10 ^-7 inches = 8 • 10 ^-7 cm), that is

or

(300 pounds = 136.077 kg, 7E-07 inches = 0.1778 • 10 ^-5 mm), which gives a resolution of 0.013 pounds (0.005897 kg). It can be seen from the above relation that if it is necessary to analyze the loads of smaller values for a given load range P, then either you can get a better counter of interference bands, which actually counts and (or) disperses individual bands into fractional bands, increasing the relative displacement ΔZ, or increasing the displacement ΔZ as is the case when using the bias amplification lever 3.

Обращаясь к фиг. 1A и 1B, отметим, что здесь обратные отражатели 6 и 7 заменены на обратные отражатели 15 и 16, которые размещены непосредственно на рычаге усиления смещения 3. На фиг.5 можно видеть, что рычаг усиления смещения 3 прикреплен к земляному и метрическому концам преобразователя силы 1 через изгибы 2 усиления смещения, которые отделены друг от друга расстоянием Lf. Если метрический конец отклоняется вниз на расстояние ΔZ, можно видеть, что обратный отражатель 15 отклоняется вниз, а обратный отражатель 16 отклоняется вверх. Фактически рычаг усиления смещения осуществляет вращение на θ градусов в плоскости x-Z, и перемещение на ΔZ/2 в направлении - Z. Таким образом, для нас представляет интерес только относительное смещение между обратными отражателями 15 и 16, которое происходит из-за поворота рычага усиления смещения 3, которое определяется уравнением
ΔZ′= ΔZ(Lf/Lr)cos(θ).
Для маленьких смещений ΔZ угол θ маленький (приблизительно 0,5^o, таким образом cosθ ≈ 1), а ΔZ′ можно приблизительно выразить уравнением
ΔZ′= ΔZ(Lf/Lr).
В этом случае отношение Lf/Lr было равно 10, давая таким образом порядок увеличения значения разрешающей способности или способность разрешать 0,0013 фунтов (0,0048 кг) в системе, имеющей полую шкалу 300 фунтов (112 кг). Это соответствует разрешающей способности 0,0004% от полной шкалы. Рассматривая фиг. 3A и 3B, можно видеть, что оптические пути A и B действительно не отличаются от конфигураций, в которых не используется рычаг увеличения смещения; и наоборот, обратные отражатели 15 и 16 оба подвергаются смещению, в результате чего оптическая длина пути луча A получается больше, в то время как путь B получается короче.Turning to FIG. 1A and 1B, we note that here the retroreflectors 6 and 7 are replaced by the retroreflectors 15 and 16, which are located directly on the bias reinforcement lever 3. In FIG. 5, it can be seen that the bias amplification lever 3 is attached to the ground and metric ends of the force transducer 1 through bends 2 of bias amplification, which are separated from each other by a distance Lf. If the metric end deviates downward by a distance ΔZ, it can be seen that the retroreflector 15 is deflected downward, and the retroreflector 16 is deflected upward. In fact, the bias gain lever rotates by θ degrees in the xZ plane, and moves by ΔZ / 2 in the Z direction. Thus, we are only interested in the relative displacement between the back reflectors 15 and 16, which occurs due to the rotation of the bias gain lever 3, which is defined by the equation
ΔZ ′ = ΔZ (Lf / Lr) cos (θ).
For small displacements ΔZ, the angle θ is small (approximately 0.5 ^o , thus cosθ ≈ 1), and ΔZ ′ can be approximately expressed by the equation
ΔZ ′ = ΔZ (Lf / Lr).
In this case, the Lf / Lr ratio was 10, thus giving an order of magnitude increase in resolution or resolution of 0.0013 pounds (0.0048 kg) in a system having a hollow scale of 300 pounds (112 kg). This corresponds to a resolution of 0.0004% of full scale. Referring to FIG. 3A and 3B, it can be seen that the optical paths A and B are really no different from configurations that do not use a shift lever; and vice versa, the retroreflectors 15 and 16 are both biased, as a result of which the optical path length of the beam A is longer, while the path B is shorter.

Кроме того, было обнаружено, что добавление рычага увеличения смещения обеспечило улучшение разрешающей способности, подобное получаемой в огибающей 2 σ неповторяемости:
2σ = 0,0285 фунта (0,0106 кг)
или
2σ = 0,0095% от всей шкалы.
Обратные отражатели 12, 13 и 14 использовали на всех этапах исследования для контроля и коррекции относительных изменений пространственного ориентирования между интерферометром и преобразователем силы. Перемещения вдоль оси y, которые дают более длинные или более короткие оптические пути, не оказывали вредного воздействия на данные, поскольку оба пути A и B изменялись на одну и ту же величину и в одном направлении. Однако, когда систему нагружали, любой поворот испытательного стенда 17 на фиг. 6 (на этом чертеже преобразователь силы сконструирован для применений растягивающих нагрузок) относительно оси Z (перемещение с помощью реечной передачи) или вокруг оси y (наклон) может ошибочно показывать отклонение вследствие нагрузок, которых нет, поскольку оптические длины путей А и В могут изменяться в дифференциальной форме. Благодаря использованию обратных отражателей 12, 13 и 14 для описания и контроля плоскости x-Z, имеется возможность корректировать эти аномалии. Кроме того, преобразователь силы и матрица манипулирования лазерным лучом зеркал и обратных отражателей были сконструированы таким образом, что поддерживалась симметрия, минимизируя и тем самым также влияния, которые в противном случае могли бы оказываться вследствие дифференциального роста температуры.In addition, it was found that the addition of a lever to increase the bias provided an improvement in resolution, similar to that obtained in the envelope 2 of non-repeatability:
2σ = 0.0285 lbs (0.0106 kg)
or
2σ = 0.0095% of the entire scale.
Back reflectors 12, 13 and 14 were used at all stages of the study to control and correct relative changes in spatial orientation between the interferometer and the force transducer. The displacements along the y axis, which give longer or shorter optical paths, did not adversely affect the data, since both paths A and B changed by the same amount and in the same direction. However, when the system was loaded, any rotation of the test bench 17 in FIG. 6 (in this figure, the force transducer is designed for tensile load applications) with respect to the Z axis (moving using a rack and pinion gear) or around the y axis (tilt), it may erroneously show a deviation due to loads that are not present, since the optical path lengths A and B can vary differential form. Thanks to the use of retroreflectors 12, 13 and 14 to describe and control the xZ plane, it is possible to correct these anomalies. In addition, the force transducer and the laser beam manipulation matrix of the mirrors and retroreflectors were designed in such a way that symmetry was maintained, thereby minimizing the effects that might otherwise be exerted due to the differential temperature increase.

Преобразователь силы в прототипе можно использовать в виде двух различных конфигураций, как показано на фиг. 1 и 2. В каждой конфигурации измерение силы возможно из-за относительного смещения между метрическим и земляным концами. Это смещение происходит посредством изгибов 4 в осевом направлении, а в других направлениях изгибы имеют очень маленькое смещение, даже если имеются поперечные силы. Смещение в прототипе составляло порядка ± 0,010 дюйма (0,254 мм) в осевом направлении. Для измерения предполагаемых очень маленьких расстояний использовали лазерный интерферометр. The force transducer in the prototype can be used in the form of two different configurations, as shown in FIG. 1 and 2. In each configuration, force measurement is possible due to the relative displacement between the metric and earth ends. This displacement occurs through bends 4 in the axial direction, and in other directions the bends have a very small displacement, even if there are transverse forces. The offset in the prototype was of the order of ± 0.010 inches (0.254 mm) in the axial direction. A laser interferometer was used to measure the alleged very small distances.

Рассмотрим конфигурацию на фиг.2. Двойные лазерные лучи приходят издалека и отражаются под углом 45^o зеркалами 9 и 10. Затем лучи попадают на другую пару 45^o зеркал 8 и 11 (зеркала 8, 9, 10 и 11 держатся на земляном конце с помощью кронштейна 5), которые посылают их к паре обратных отражателей 6 и 7. После этого свет проходит тот же путь назад, где он захватывается интерферометром. Интерферометр определяет изменение количества длин волн, которое соответствует световому пути. Если световой путь растет или сокращается, можно использовать компьютер для регистрации изменения с помощью подсчета количества проходивших длин волн. Атмосферные возмущения света компенсируются с помощью двойных лучей, поскольку лучи расположены близко друг к другу, они должны испытывать почти одинаковые изменения, вызываемые атмосферными возмущениями. Измерение относительного перемещения между земляным и метрическим концами рассчитывается на основании разницы в видимом изменении пути у двух лучей. Если атмосфера вызывает какое-либо изменение в видимой длине пути, это воздействует на оба луча, и разница между ними будет нулевой. Используемые нами интерферометры были способны производить измерения с разрешающей способностью в 0,0000003 дюйма (0,00000762 мм), что теоретически должно давать ± 33,333 отсчета разрешающей способности при отклонении на ± 0,010 дюйма (± 0,254 мм) нашего прототипа. Изгибы можно сконструировать для значительно большего прогиба, который дает соответствующее увеличение разрешающей способности.Consider the configuration of figure 2. Double laser beams come from afar and are reflected at an angle of 45 ^{o by} mirrors 9 and 10. Then the rays fall on another pair of 45 ^o mirrors 8 and 11 (mirrors 8, 9, 10 and 11 are held at the earthen end using bracket 5), which send them to the pair of return reflectors 6 and 7. After this, the light travels the same way back, where it is captured by an interferometer. The interferometer determines the change in the number of wavelengths that corresponds to the light path. If the light path is increasing or decreasing, you can use a computer to record the change by counting the number of wavelengths that have passed. Atmospheric disturbances of light are compensated by double rays, since the rays are located close to each other, they should experience almost the same changes caused by atmospheric disturbances. The measurement of the relative displacement between the earthen and metric ends is calculated based on the difference in the apparent path change of the two rays. If the atmosphere causes any change in the apparent length of the path, this affects both beams, and the difference between them will be zero. The interferometers used by us were capable of measuring with a resolution of 0.0000003 inches (0.00000762 mm), which theoretically should give ± 33.333 readings of resolution with a deviation of ± 0.010 inches (± 0.254 mm) of our prototype. Bends can be designed for significantly greater deflection, which gives a corresponding increase in resolution.

Отличие конфигурации на фиг. 1 заключается в добавлении механического усилителя, к которому прикреплены обратные отражатели 15 и 16. Усилитель состоит из рычага 3, который подсоединен к прямоугольному стержню 17 с помощью двух конических соединений и двух болтов. Прямоугольный стержень 17 также представляет одно целое с изгибами 2. Один изгиб представляет одно целое с земляным концом, тогда как другой является одним целым с метрическим концом. Измеряемое смещение возле обратных отражателей 15 и 16 увеличивается на отношение Lr : Lf по сравнению со смещением между земляным и метрическим концами (см. фиг. 5). Преимущество использования механического усилителя заключается в увеличении разницы в длинах пути двойных лазерных лучей без увеличения смещения между земляным и метрическим концами, дающем увеличение разрешающей способности, точности и повторяемости по сравнению с конфигурацией без механического усилителя. Единственным известным недостатком механического усилителя является увеличенная чувствительность к динамическому приложению нагрузки. В зависимости от условий измерения нагрузки, точности используемого интерферометра и требований к измерению, механический усилитель может оказаться необходимым или нет. The configuration difference in FIG. 1 consists in adding a mechanical amplifier to which the reflectors 15 and 16 are attached. The amplifier consists of a lever 3, which is connected to a rectangular rod 17 by means of two conical connections and two bolts. The rectangular rod 17 also is integral with the bends 2. One bend is integral with the earthen end, while the other is integral with the metric end. The measured displacement near the retroreflectors 15 and 16 increases by the ratio Lr: Lf in comparison with the displacement between the ground and metric ends (see Fig. 5). The advantage of using a mechanical amplifier is to increase the difference in the path lengths of the double laser beams without increasing the offset between the ground and metric ends, giving an increase in resolution, accuracy and repeatability compared to a configuration without a mechanical amplifier. The only known drawback of a mechanical amplifier is its increased sensitivity to dynamic load application. Depending on the conditions of the load measurement, the accuracy of the interferometer used and the measurement requirements, a mechanical amplifier may or may not be necessary.

Ключевой особенностью прототипа является конструкция в виде одной детали. Это предотвращает любое проскальзывание через место соединения, которое может вводить ошибку в измерение. Детали, которые не несут другую нагрузку, чем их собственный вес, закреплены болтами и штифтами прессовой посадки для предотвращения любого относительного смещения по месту соединения. Рычаг 3 прикреплен к прямоугольному стержню 17 двумя коническими соединителями (которые обращены друг к другу) и двумя болтами. Обратные отражатели 15 и 16 удерживаются в их гнездах с помощью пружинных зажимов (не показанных). Зеркала 8, 9, 10 и 11 удерживаются в своих отверстиях с помощью двух установочных винтов каждое. A key feature of the prototype is the design in one piece. This prevents any slippage through the joint, which may introduce an error into the measurement. Parts that do not carry a different load than their own weight are secured with press fit bolts and pins to prevent any relative displacement at the joint. The lever 3 is attached to the rectangular rod 17 with two conical connectors (which are facing each other) and two bolts. The retroreflectors 15 and 16 are held in their sockets by means of spring clips (not shown). Mirrors 8, 9, 10 and 11 are held in their holes with two set screws each.

Второй ключевой особенностью прототипа является устройство земляного и метрического концов с изгибами 4. Эта конфигурация создает конструкцию, которая очень жесткая во всех направлениях за исключением направления Z. Это делает прототип очень нечувствительным к силам и моментам, за исключением силы в направлении Z. Жесткостью в направлении Z можно управлять с помощью выбора соответствующей конфигурации и количества изгибов. Конструктор может управлять жесткостью, максимальным прогибом под действием максимальной нагрузки и уровнем у напряжения для данного применения. С помощью конструирования для конкретного уровня напряжения можно избежать проблем, которые досаждают преобразователям сил тензодатчиков. Напряжения можно снизить до уровней ниже напряжений, которые могут вызывать проблемы усталости, деформации ползучести или неупругости. Можно использовать менее дорогостоящий или альтернативный материал со специальными свойствами посредством управления уровнем напряжения, для приспосабливания этого материала. The second key feature of the prototype is the arrangement of the ground and metric ends with bends 4. This configuration creates a structure that is very rigid in all directions except the Z direction. This makes the prototype very insensitive to forces and moments, except for the force in the Z direction. Stiffness in the direction Z can be controlled by selecting the appropriate configuration and the number of bends. The designer can control the stiffness, maximum deflection under the action of the maximum load and the voltage level for a given application. By designing for a specific voltage level, the problems that annoy force transducers of load cells can be avoided. Stresses can be reduced to levels below stresses that can cause problems of fatigue, creep deformation, or inelasticity. A less expensive or alternative material with special properties can be used by controlling the voltage level to adapt this material.

Обратные отражатели 12, 13 и 14, смонтированные на кронштейне 5, используются тремя лазерными лучами, которые также проходят к независимым интерферометрам. Любое смещение обратных отражателей определяется интерферометрами и может запоминаться в памяти вычислительной машины. Эта информация используется для определения любого перемещения в земляном конце, а также для компенсации любого слабого нарушения в зеркалах и другом оптическом оборудовании, которое направляет лазерные лучи. Вычислительная машина может компенсировать эти действия с помощью программы "жесткого твердого тела". Программа рассчитывает необходимые постоянные, когда зеркало намеренно расстраивают во время установки. Эффект от использования программы "жесткого твердого тела" заключается в меньшей чувствительности к смещению в оборудовании оптических и конструктивных держателей. The retroreflectors 12, 13, and 14 mounted on the bracket 5 are used by three laser beams, which also pass to independent interferometers. Any offset of the back reflectors is determined by interferometers and can be stored in the memory of a computer. This information is used to determine any movement at the earthen end, as well as to compensate for any slight disturbance in mirrors and other optical equipment that directs laser beams. The computer can compensate for these actions with the help of the program "rigid solid". The program calculates the necessary constants when the mirror is intentionally upset during installation. The effect of using the "rigid rigid body" program is less sensitivity to displacement in the equipment of optical and structural holders.

Преимущество использования интерферометров заключается в их цифровом выходном сигнале, который можно обрабатывать с помощью не подверженных помехам цифровых вычислительных машин. Преимуществом лазерного света по сравнению с тензодатчиками является их неограниченный температурный диапазон, лимитируемый только материалом обратных отражателей. Поскольку в обратный отражатель вносится лишь небольшое количество напряжения, проблем усталости или связи не существует. The advantage of using interferometers is their digital output signal, which can be processed using non-interfering digital computers. The advantage of laser light over strain gauges is their unlimited temperature range, limited only by the material of the back reflectors. Since only a small amount of voltage is introduced into the back reflector, there are no fatigue or communication problems.

Из вышеизложенного специалистам в данной области техники должно быть ясно, что существуют другие пути использования концепций настоящей измерительной системы; например, преобразователи давления или крутящего момента, системы инерциального наведения, и для одновременного измерения нескольких сил и моментов. В аэродинамических трубах следует определять три силы и три момента, которые действуют на модель. С помощью размещения ряда однокомпонентных преобразователей силы можно измерять три составляющие силы и три составляющие момента в модели аэродинамической трубы или других системах. From the foregoing, it will be apparent to those skilled in the art that there are other ways of using the concepts of a real measurement system; for example, pressure or torque transducers, inertial guidance systems, and for simultaneous measurement of several forces and moments. In wind tunnels, three forces and three moments that act on the model should be determined. By placing a series of one-component force transducers, it is possible to measure three force components and three moment components in a wind tunnel model or other systems.

Claims

1. Laser interferometric force transducer for measuring unidirectional load, characterized in that the transducer is made of one piece of material to minimize hysteresis caused by sliding at the junction, and includes an earthen end rigidly connected to a fixed reference plane, and a metric end for applying a load, the main bending elements separating the earthen and metric ends of the transducer, and the bending reinforcing elements, the reflector bracket and the first and second inverse reflections Ateliers attached to the transducer, as well as a plurality of beam rotation mirrors and a plurality of spatial displacement control reflectors attached to the reflector bracket, the first back reflector mounted at the metric end and the second back reflector mounted at the ground end of the force transducer.

2. Laser interferometric force transducer for measuring unidirectional load, characterized in that the transducer is made of one piece of material to minimize hysteresis caused by sliding at the junction, and includes an earthen end rigidly connected to a fixed reference plane, and a metric end for applying a load, the main bending elements separating the earthen and metric ends of the transducer, and the bending reinforcing elements, the reflector bracket and the first and second inverse reflections Ateliers attached to the transducer, as well as a plurality of beam rotation mirrors attached to the bracket of the reflectors, while a bias amplification lever is attached to the bending reinforcing elements, to which the first and second return reflectors are attached.

3. The laser interferometric force transducer according to claim 2, characterized in that the bias amplification lever is mounted on a rectangular rod.